核心提示：　　雙凸極電機是20世紀90年代出現(xiàn)的一種新型交流調(diào)速電機，是交流電機調(diào)速與傳動領域近年來繼開關磁阻電機之后又一新的研究方向

　　雙凸極電機是20世紀90年代出現(xiàn)的一種新型交流調(diào)速電機，是交流電機調(diào)速與傳動領域近年來繼開關磁阻電機之后又一新的研究方向，其獨特的結構和優(yōu)良的電氣性能已得到越來越多的關注和研究[1～5 ].雙凸極電機在結構上與帶有閉環(huán)控制的步進電機和開關磁阻電機類似，只是在定子上（或轉(zhuǎn)子上）裝有永磁體（或電勵磁線圈） ，在調(diào)速性能上與直流電機調(diào)速系統(tǒng)相近[ 3， 4 ].雙凸極電機的主要優(yōu)點是結構簡單、控制靈活、動態(tài)響應快、調(diào)速性能好、轉(zhuǎn)矩/電流比大、功率因數(shù)接近于1、效率高等。

　　然而由于這種電機的雙凸極結構和供電電源的開關形式，導致了其不可避免的轉(zhuǎn)矩脈動特性。

　　雙凸極電機轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩是由一系列脈沖轉(zhuǎn)矩疊加而成的，由于雙凸極結構的影響，其合成轉(zhuǎn)矩并不是恒定轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩脈動較大。雙凸極電機的轉(zhuǎn)矩脈動主要源于兩種情況，一種是穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩脈動，是由開關管高頻PWM工作造成的，對電機性能影響相對較小另一種是電流換向產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩脈動，這種轉(zhuǎn)矩脈動對電機性能影響較大。由于轉(zhuǎn)矩脈動是影響雙凸極電機調(diào)速性能的重要因素，本文對電勵磁雙凸極電機的轉(zhuǎn)矩脈動特性進行了仿真分析，研究如何通過雙拍控制以及改進控制參數(shù)和勵磁電流波形等方法減小轉(zhuǎn)矩脈動，為雙凸極電機系統(tǒng)的優(yōu)化設計打下基礎。

　　1轉(zhuǎn)矩仿真分析假設雙凸極電機的電感為分段線性化的理想情況，電機的電感不隨電樞電流變化，并認為在電勵磁的情況下，勵磁磁導無窮大，使相與相之間的互感近似為零。雙凸極電機的輸出轉(zhuǎn)矩為以A相為例，電機一相的輸出轉(zhuǎn)矩為式中： T為磁阻轉(zhuǎn)矩，是A相繞組通過電流時，隨著轉(zhuǎn)子位置的不同，電樞繞組電感發(fā)生變化而產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩分量 T為勵磁轉(zhuǎn)矩，是A相繞組通過電流時，隨著轉(zhuǎn)子位置的不同，電樞繞組與勵磁繞組的互感發(fā)生變化而產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。不考慮相與相之間的互感時，可以分別計算各相的輸出轉(zhuǎn)矩，再將它們線性疊加，求出輸出的總轉(zhuǎn)矩。

　　1. 1電流控制時輸出轉(zhuǎn)矩脈動分析在電流不控制的情況下，電流波形正負不對稱，正向幅值小于負向幅值，見圖1（ a）。這是因為正向電流達到峰值時，電感L達到最大值，電感阻礙電流變化的作用較大，使電流變化緩慢，波形較禿而反向電流達到峰值時，電感L達到最小值，電感阻礙電流變化的作用較小，使電流變化迅速，波形較尖，從而使正反向電流不對稱。加了電流控制后，電流就會被控制在某一值附近，使電流波形較對稱，見圖1（ b）。另外，由于電感的影響，在兩種情況下，均為正向電流向負向電流換向時，電流變化較慢，而負向電流向正向電流換向時，電流變化較快。

　　對稱使轉(zhuǎn)矩波形在正負兩個半周內(nèi)不對稱，換向轉(zhuǎn)矩脈動比較大若進行電流控制，則正負半周電流較對稱，雖然仍存在轉(zhuǎn)矩脈動，但較之不加控制時（ a）電流不控制情況下電感、相電壓、電流及勵磁電流波形（ b）電流控制情況下電感、相電壓、電流及勵磁電流波形（ c）電流不控制情況下各轉(zhuǎn)矩波形（ d）電流控制情況下各轉(zhuǎn)矩波形相蓉，等：雙凸極電機轉(zhuǎn)矩脈動的仿真研究變小了。由式（ 2）知，由于雙凸極電機的轉(zhuǎn)矩為勵磁轉(zhuǎn)矩上加上磁阻轉(zhuǎn)矩，勵磁轉(zhuǎn)矩恒為正，而磁阻轉(zhuǎn)矩是正負交替的，只有當勵磁轉(zhuǎn)矩比磁阻轉(zhuǎn)矩大得多時，輸出轉(zhuǎn)矩才不會因為磁阻轉(zhuǎn)矩的影響而產(chǎn)生較大的脈動。電流不控制時，磁阻轉(zhuǎn)矩和勵磁轉(zhuǎn)矩大小差不多，甚至可能某一時刻磁阻轉(zhuǎn)矩大于勵磁轉(zhuǎn)矩，使得輸出轉(zhuǎn)矩脈動較大。在電流控制的情況下，相電流本身脈動較小，而且在這種情況下，可以做到使磁阻轉(zhuǎn)矩小于勵磁轉(zhuǎn)矩，使電機轉(zhuǎn)矩脈動變小。

　　1. 2單拍工作時控制參數(shù)對轉(zhuǎn)矩脈動的影響雙凸極電機一般有兩種工作方式：單拍工作方式和雙拍工作方式。單拍工作方式在任一時刻只有一相繞組導通，而雙拍工作方式有兩相繞組同時導通。顯然，雙拍工作方式的輸出轉(zhuǎn)矩要大于單拍工作方式，雙拍工作方式時的轉(zhuǎn)矩/電流比大于單拍工作方式。

　　矩脈動明顯減小，但由于電流換向引起的轉(zhuǎn)矩脈動較大，仍將對電機性能產(chǎn)生較大的影響。因此有必要研究通過改變電機控制參數(shù)減小換向轉(zhuǎn)矩脈動。

　　減小換向轉(zhuǎn)矩脈動的方法之一就是使勵磁轉(zhuǎn)矩比磁阻轉(zhuǎn)矩大得多，從而使勵磁轉(zhuǎn)矩在電機輸出轉(zhuǎn)矩中起主要作用。下面嘗試用改變電樞電流和勵磁電壓這兩個控制參數(shù)減小轉(zhuǎn)矩脈動。

　　1. 2. 1改變電樞電流減小相電流可明顯減小換向轉(zhuǎn)矩脈動。此處定義轉(zhuǎn)矩脈動率為正半周平均轉(zhuǎn)矩與負半周平均轉(zhuǎn)矩之差比一周內(nèi)平均轉(zhuǎn)矩。圖2表明，當電樞平均電流幅值I為7 A時，轉(zhuǎn)矩脈動為43. 5 而當I為5 A時，轉(zhuǎn)矩脈動下降為11. 8.這是因為減小相電流I平方按平方關系減小，使之減小幅度遠大于T的減小幅度，從而使T遠小于T ae，因此采用此方法可以有效地減小換向轉(zhuǎn)矩脈動。

　　1. 2. 2改變勵磁電壓由圖3可見，增大勵磁電壓U f，可明顯減小轉(zhuǎn)矩脈動， U 14 V時，轉(zhuǎn)矩脈動為31. 6 而當U矩脈動下降為24. 0.由式（ 2）知，勵磁轉(zhuǎn)矩T正比于I而磁阻轉(zhuǎn)矩T不隨I的變化而變化，所以勵磁電壓U增大時，相應地提高了I f，使輸出的勵磁轉(zhuǎn)矩T相應增大，而此時電樞電流保持不變，也保持不變，故T比在電機輸出轉(zhuǎn)矩中所占的份量增大，因此達到了減小換向轉(zhuǎn)矩脈動的目的。

　　1. 3雙拍工作方式轉(zhuǎn)矩分析單拍工作方式存在較大的換向轉(zhuǎn)矩脈動，另外，由于電感特性中有約1 /3周期的電感值不變，決定了這種工作方式有約1 /3周期輸出轉(zhuǎn)矩為零，為進一步改善雙凸極電機的轉(zhuǎn)矩特性，可采用雙拍工作方式。

　　南京航空航天大學學報比較圖3～5可知，雙拍工作方式輸出轉(zhuǎn)矩比單拍工作方式約大兩倍，且不存在輸出轉(zhuǎn)矩為零的區(qū)間，這是由于雙拍工作方式任一時刻有兩相同時工作，輸出轉(zhuǎn)矩為兩相轉(zhuǎn)矩疊加。另外，由于兩相工作的對稱性，當兩相輸出轉(zhuǎn)矩疊加時，這兩相的電流反向，產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩也反向，疊加時磁阻轉(zhuǎn)矩的作用可以抵消，有效地減小了換向轉(zhuǎn)矩脈動。

　　1. 4改變勵磁電流波形的轉(zhuǎn)矩脈動分析雖然采用雙拍工作方式有效地減小了電流換向引起的換向轉(zhuǎn)矩脈動，但是雙凸極電機的工作原理決定了電流由于換向必然存在過零點，使得各相轉(zhuǎn)矩必然存在過零點，由電感特性決定了輸出轉(zhuǎn)矩中可能存在兩相同時換相，轉(zhuǎn)矩同時過零，而另一相轉(zhuǎn)矩非零的情況，此時由于電感處于最大值，阻礙相電流變化作用明顯，使得電流換向的變化率不夠大，形成換相缺口，如圖5中的t期間。要消除此缺口，可考慮在t期間加大第三相的勵磁相蓉，等：雙凸極電機轉(zhuǎn)矩脈動的仿真研究電流（見圖7）以提高其輸出轉(zhuǎn)矩，以此彌補換相引起的缺口，減小換相轉(zhuǎn)矩脈動。由圖6， 8可見，改變勵磁電流的波形增大了另一相在其它兩相換相期間的輸出轉(zhuǎn)矩，使電機輸出轉(zhuǎn)矩的換相缺口減小。

　　可見改變勵磁電流波形可有效地減小換相轉(zhuǎn)矩脈動。

　　勵磁電流波形輸出轉(zhuǎn)矩波形2結論轉(zhuǎn)矩脈動是影響雙凸極電機穩(wěn)態(tài)性能的重要指標，因此研究減小雙凸極電機電流換向和電流換相引起的轉(zhuǎn)矩脈動具有很大的意義。本文提出了改變雙凸極電機的控制參數(shù)、采用雙拍工作方式和改變勵磁電流波形等方法改善雙凸極電機的轉(zhuǎn)矩脈動特性，得出如下結論：（ 1）要減小雙凸極電機的換向轉(zhuǎn)矩脈動，就要使勵磁轉(zhuǎn)矩在輸出轉(zhuǎn)矩中起主要作用。單拍工作方式時可采用的方法有：減小電機的相電流和增大勵磁電壓，但前者是以減小輸出轉(zhuǎn)矩為代價的，而后者又能提高輸出轉(zhuǎn)矩，所以最好將兩種方法結合起來，既減小換向轉(zhuǎn)矩脈動，又得到所需的輸出轉(zhuǎn)矩。

　　（ 2）雙拍工作方式下提高了輸出轉(zhuǎn)矩，其轉(zhuǎn)矩/電流比大，另外由于兩相同時工作，當兩相電流方向相反時產(chǎn)生相反的磁阻轉(zhuǎn)矩，在輸出轉(zhuǎn)矩中相抵，因此較單拍工作方式有效地減小了換向轉(zhuǎn)矩脈動。

　　（ 3）改變雙凸極電機勵磁電流的波形，可以在某兩相電流換相時，增大另一相的轉(zhuǎn)矩，疊加時可以彌補由于換相產(chǎn)生的缺口。因此改變勵磁電流的波形可改善換相缺口，有效地減小電機的換相轉(zhuǎn)矩脈動。